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摘要 美国数字电视地面广播系统( a t s c8 - v s b ) 采用单载波调制技术，均衡是该 系统接收机中项关键技术。本文简要介绍了a t s c8 - v s b 标准，阐述了无线信 道的基本特性，研究了无线数字传输系统的自适应信道均衡技术，以及自适应均 衡的算法和结构等。根据a t s c8 - v s b 系统的特点，本文研究了合适的均衡器的 结构和算法，以及用于初始化均衡器的信道估计技术、用于降低超量均方误差的 稀疏抽头算法。文中设计的接收机主要采用了时域、基带的判决反馈均衡器。最 后，文章重点研究了多种能够提高均衡器性能的技术，包括数据循环算法、虚拟 训练序列技术、信道匹配滤波器、非因果滤波器和联合均衡与译码技术等，提出 和改进了联合均衡与多重深度译码技术和非因果滤波器的构造方法等。采用 m a t l a b 和c 对各种技术下的均衡器的性能进行了仿真，并仿真了接收机在b r a z i l 类静态信道条件下的误符号性能。 关键词：自适应均衡盲均衡时域均衡a t s c a b s t r a c t s i n g l e c a n i e rm o d u l a t i o ni sa d c l p t e di na t s c8 - v s b s y s t e m s ，i nw h i c h e q u a l i z a t i o nt e c h n i q u ei s c r i t i c a lt ot h ea t s c8 - v s br e c e i v e r s f i r s t ，t h ea t s c t e r r e s t r i a lt r a n s p o r t a t i o ns t a n d a r da n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s c h a n n e la r ei n t r o d u c e d as t u d yo fc h a n n e le q u a l i z a t i o ni n c l u d i n gt h ee q u a l i z a t i o n a l g o r i t h m sa n ds t r u c t u r eo fe q u a l i z e ra r em a d e a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so f a t s c8 - v s bs y s t e m s ，p r o p e ra l g o r i t h m sa n ds t r u c t u r eo fe q u a l i z e ra r ea n a l y z e d a l s o c h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sw h i c ha r eu s e dt oi n i t i a l i z et h et a pw e i g h t so ft h ef i l t e r sa r e c o m p a r e da n ds p a r s et a p sa l g o r i t h u mi su s e dt or e d u c et h ee x t r am e a ns q u a r ee 订_ o la d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r ( d f e ) i m p l e m e n t e di nr e a la n db a s e b a n dd o m a i ni su s e di n t h er e c e i v e r s m u c ha t t e n t i o nw a sp a i dt ot h et e c h n i q u e su s e dt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fe q u a l i z e rs u c ha sd a t ar e c y c l i n ga l g o r i t h m ，v i r t u a lt r a i n i n gt e c h n i q u e ， c h a n n e lm a t c h e df i l t e r ，n o n c a u s a lf i l t e qj o i n te q u a l i z a t i o na n dd e c o d i n gt e c h n i q u ea n d s oo n f u r t h e r m o r en e wm e t h o d s ，w h i c ha r ej o i n te q u a l i z a t i o na n dd e c o d i n gw i t h m u l t i p l ed e c o d i n gd e p t ha n dc o n s t r u c t i o no fn o n c a u s a lf i l t e la r ep r o p o s e dt oi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo fe q u a l i z e r s i m u l a t i o nw i t hm a t l a ba n dca r em a d ei nt h i st h e s i sa n d t h es y m b o le r r o rr a t e ( s e r ) c u r v e so ft h er e c e i v e r su n d e rt h ee n s e m b l e so fb r a z i l c h a n n e la r eg i v e n k e y w o r d ：a d a p t i v ee q u a l i z a t i o n ，b l i n de q u a l i z e r , t i m e - d o m a i ne q u a l i z e r , a t s c 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为虢得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：阻 日期二鲨受j 二堡二 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属两安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名 奄红军 奠趣经 日期堡z ! ：丝 同期垒卿：2 11 如 第一章绪论 第一章绪论 1 1a t s c8 - v s b 接收机均衡器的发展 当前，除我国的数字电视地面传输标准( c d m b - t ) 外，国外已有三套成为国 际标准的高清晰度数字电视地面广播信道传输系统方案：美国1 9 9 6 年高级电视系 统委员会( a t s c ) 研发的格形编码八电平残留边带( 8 v s b ) 的单载波传输系统，即： a t s c8 - v s b ：欧洲1 9 9 7 年提出的数字视频地面广播( d v a d ，采用编码正交频分 复用( c o f d m ) 技术，即：d 、，b - t c o f d m ；日本1 9 9 9 年提出的地面综合业务数字 广播( i s d b d ，采用正交频分复m ( o f d m ) 技术，即：i s d b to f d m 。 美国于1 9 8 3 年成立了高级电视系统委员会，自1 9 8 7 年联邦通讯委员会( f c c ) 组建了高级电视业务顾问委员会( a c a t s ) 以来，对建立美国高级电视( 朋w ) 的步骤、组织、技术进行了周密的准备。f c c 于1 9 9 3 年5 月决定成立“大联盟” ( g a ) ，期望制定美国数字电视国家标准。1 9 9 5 年4 月，a t s c 通过了“a t s c 数 字电视标准”，同年8 月g a 样机研制成功，1 0 月“a t s c 数字电视标准”被提交 给f c c 审议。1 9 9 6 年1 2 月2 6 日，f c c 终于批准了该标准。 从普通电视向数字屯视过渡方面，美国采取了强制过渡方式，并规定到2 0 0 6 年美国全部停止模拟制n t s c 电视广播，2 0 0 7 年3 月1 日之后，在美国国内销售 的所有电视机都必须是数字电视。 。 影响接收机性能的主要问题是信道的多径干扰。尽管多径干扰也影响了接收 机载波恢复和符号时钟的恢复，但其影响主要是由均衡器来抵消。在严重的多径 效应条件下，并以高比特率运行时，信道均衡的问题是一个比较重要的研究课题。 自从1 9 9 6 年美国采用a t s c 标准，在研究领域和工业界，对接收机的设计和改进 所做的工作一直在进行，几乎每两年就有新的一代接收机出现。 第一代商用8 - v s b 接收机中的均衡器假设多径时延扩展不超过l o 微秒，并且 多径的幅度不超过主径的5 0 。而现场测试表明，只有7 0 的覆盖范围是这种情 况。因此，在早期便引入了第二代接收机的设计，并用于许多的场地测试。 接着出现的几代接收机的均衡器都很长，它们比以往的实现能适应于更多的 多径场所。并且，每代的接收机能够对付的前向多径和后向多径的时延范围都加 倍增长。对不同场地接收信号的分析表明，早期的关于最强的信号总是第一个到 达的假设是不讵确的。因此，第5 代接收机已经增强了其均衡多径信道的能力， 能够对付的多径时延范围达到一5 0 胛5 0 p s 各代接收机能够对付的前向多径和 后项多径的范围如图1 1 所示。在具有复杂多径和噪声的接收环境下，新的均衡器 结构和算法加强了均衡器的收敛特性，并且新的均衡器结构能够支持长时延的多 径和具有对称分布的多径环境。 a t s c8 - v s b 系统中自适应均衡技术研究 接 收 机 代 数 时间( 微秒) 幽1 1 各代接收机能够处理的多径时延范围 除了多径的延时之外，多径的幅度也是必须考虑的。早期的均衡器只能对付 主径幅度的5 0 的多径，而最近的均衡器能够对付0 d b 的多径。各代接收机能够 对付的多径幅度如图i 2 所示。 接收机代数 图1 2 各代接收机能够处理的最大多径幅度 在各种典型的信道模型下，各代接收机的测试结果如表1 1 所示。可见，第五 代接收机取得了突破性的进步。掘称，l g 电子已经开发出了第6 代接收机的芯片 组，在价格和功耗上表现出明显的优越性能。 表1 】各代接收机的测试结果 、代数 2 n d3 r d4 t h 5 t h 信道类i l r 、 a t t c d“，矗蔷筝鹕赘印 29 ”p 浊r ” 一p 睦”黟8”磁簖。扩 b r a z i l a ，p a s s 。+、p a s s ：。p a s s 。p a s s b r a z i l b f a i lf a i lf a i l p a s s b r a z i l cf a i lf a i l 一p a s s 。：逸 p a s s b r a z i i df a i lf a i l f a i lp a s s ， b r a z i lef a i l f a i lf a i l p a s s c r c3f a i l f a i lf a i l p a s s c r c4 f a i lf a i l f a i lp a s s 。 第一章绪论3 单载波调制技术已成功应用于多种无线数字通信系统中，是无线传输领域的 重要研究方向之一。我国数字电视地面传输标准c d m b - t 也包含单载波的传输模 式。a t s c 地面广播系统是一种典型的单载波无线传输系统，其中的关键技术对于 其它的单载波传输系统也是适用的。对a t s c 系统均衡技术的研究不仅有助于透 彻理解不同均衡算法的优缺点及其适用性，而且对于现有均衡器的任何改进都有 助于接收机性能的提高，同时对于其他的单载波传输系统也是一个重要的参考。 因此，对a t s cg - v s b 系统中均衡技术的研究具有重要的理论意义和实际价值。 针对a t s c8 - v s b 系统，本文综合了多种技术以及提出的新方法，对接收机 均衡器进行了研究和设计。仿真表明，所完成的均衡器对典型的b r a z i l 类信道表 现出良好的性能。 1 2 自适应均衡的发展概况 2 0 世纪中叶，对最优化电子系统的研究及实际的需要推动了对自适应信号处 理系统的研究。而“自适应滤波器”( a d a p t i v ef i l t e r ) 则最先由j a k o w a t z 等人于六 十年代初用来描述一个从噪音中提取出现时刻随机的信号的系统。在1 9 5 7 年至 1 9 6 0 年间，美国通用电气公司的豪厄尔斯( e h o w e l l s ) 和阿普尔鲍姆( p a p p l e b a u m ) 与他们的同事们研究和使用了简单的自适应滤波器，用以消除混杂在有用信号中 的噪声和干扰。而结构更为复杂的自适应滤波器的研究工作，则由美国斯坦福大 学的维得罗( b w i d r o w ) 和霍夫( m h o f r ) 始于1 9 5 9 年此间，他们提出的最小 均方( l m s ) 自适应算法对自适应技术的发展起到了极大的作用。同时，他们提 出了一种采用被称作为“自适应线性单元( 门限逻辑) ”的模式识别方案。 而自从自适应滤波理论发展起来后，很快在信道均衡技术中得到了应用，为 我们提供了更为有效的均衡方法。6 0 年代，自适应信道均衡技术主要集中在线性 均衡器。有最小均方误差( m m s e ) 准则下的最佳发送滤波器和接收滤波器和在 均衡器采样时刻无码间干扰的约束条件下的迫零算法( z f ) 。这种算法在最大后验 概率( m a p ) 系统中得到应用。没过多久，人们开始研究l m s 自适应均衡器。而 均衡器的结构也从线性横向滤波器转向性能更好的判决反馈均衡器( d f e ) 以及具 有分数间隔的线性横向滤波器和判决反馈均衡器。判决反馈均衡器一般有前馈滤 波器和反馈滤波器两部分组成。前馈部分的输入信号是接收的信号，以符号发送 间隔t 采样或以符号发送的分数间隔f 采样，相当于线性横向均衡器。反馈滤波 器的输入是已经检测出来的符号，用来抵消以前发送符号对当前符号判决产生的 码问干扰。在检测符号判决正确的情况下，只有判决时刻以后的发送符号才能对 当前符号的判决产生影响，所以d f e 的性能要优于线性横向滤波器。d f e 的缺点 是存在错误传播，即有误判时反馈回来的符号可能产生新的错误，这是影响判决 反馈均衡系统最终性能的主要因素之一如何提高判决的正确性，提供更可靠的 a t s c8 - v s b 系统中自适应均衡技术研究 反馈输入也成为很有价值的研究方向。 到7 0 年代，d g o d a r d 把k a l m a n 滤波理论弓l 入到自适应信号均衡器中。这种 算法通常称为k a l m a r d g o d a r d 算法，也称作r l s 算法。k a l m a n g o d a r d 算法最主 要的优点就是它是一种收敛速度很快的自适应算法。但是它存在着两个不足之处， 其一是运算量太大，其二是算法不稳定。针对k a l m a n g o d a r d 算法的第一个缺点， d d f a l c o n c r 和l - l j u n g 提出了快速k a l m a n 算法。而针对k a l m a n g o d a r d 算法的第 二个缺点，m h s u 又提出了平方根k a l m a n 算法。同时也在研究新的结构和简化算 法。1 9 7 9 年，e h s a t o r i u s 提出了自适应格型算法，它是建立在对接收信号取样值 进行正交化处理基础上，利用g r a m - s c h m i d t 正交方程对接收信号进行递推运算。 j g p m a k i s 和f i j n g 又在高频信道均衡器的最小二乘格型算法上进行了研究。 1 9 7 5 年，s a t o 首次提出了盲均衡( 自恢复) 的概念。盲均衡技术是一种新兴 的均衡技术，它能够不借助训练序列，仅利用接收序列本身的先验信息来均衡信 道特性，使输出序列尽量接近发送序列，能有效补偿信道的非理想特性、克服码 日j 干扰、减小误码率、提高通信效率，在通信领域有着极其重要的应用价值。 目前自适应均衡器应用十分广泛，以判决反馈式均衡器为主体的调制解调器 是人们研究较多的一种。其中以l m s 算法构成的判决反馈式自适应均衡器有许多 突出的优点：运算量比较少，稳定性较好，但是它的收敛速度比较慢。所以人们 又研究其它收敛速度快，均衡精度高和稳定性好，算法运算量较小的算法和自适 应均衡器结构。 结合a t s c 系统的特点，本文设计的均衡器采用了判决反馈的结构和l m s 自 适应更新算法。该均衡器能够工作于多种模式，并在盲均衡模式、训练模式和判 决导引模式之间智能的切换。具体的均衡器设计见后文。 1 3 本文的主要工作及内容安排 a t s c8 - v s b 系统在设计时就没有考虑到移动接收，另外也忽视了大量住宅大 楼对用户室内接收的影响。这些情况对单载波发射的8 - v s b 系统非常不利，因此 美国现有标准及其推荐的实现方案不适用于移动接收方式，在强多径情况下系统 工作会不稳定。而在室内接收时，信道条件可能非常恶劣，同时由于信道的时变 特性使得接收机的性能急剧恶化。接收机中均衡器的性能优劣直接关系到整个接 收机的性能。因此，对均衡技术的研究和均衡器的改进对于接收机性能的提高尤 为关键。 本文主要对a t s c8 - v s b 地面广播系统中的时域均衡技术进行了研究，探索 适合单载波无线数字传输系统的均衡算法和结构，并提出了一些提高均衡器性能 的措施。首先，本文完成a t s c8 - v s b 接收机中均衡器的设计，主要采用了时域、 第一章绪论 基带的判决反馈均衡器( d f e ) 其次，文章重点研究和改进了多种能够提高均衡 器性能的技术，包括数据循环算法、虚拟训练序列技术、信道匹配滤波器、非因 果滤波器的应用和联合均衡与译码技术等。最后，对各种技术下的均衡器的性能 进行了仿真，并仿真了接收机在b r a z i l 类静态信道条件下的误符号性能。 本文各章的内容安排如下： 第2 章首先介绍了美国a t s c 地面广播数字电视标准，包括其系统框图、各 模块的功能和数据帧格式等。接着介绍了无线传输系统多径信道的特性。最后介 绍了均匀间隔t d l 信道建模的方法，并结合a t s c 实验室测试信道的参数给出了 b r a z i l 类信道的t d l 信道模型。 第3 章介绍了无线数字传输系统的自适应信道均衡技术。介绍了最小均方 ( l m s ) 和递推最小二乘( r l s ) 两种自适应均衡算法；针对盲均衡技术，分析研 究了s a t o ，g o d a r d ，s a g 等几种盲均衡算法；介绍了线性均衡器( l e ) 、判决反 馈均衡器( d f e ) 和分数间隔均衡器( f s e ) 等几种结构的均衡器并比较了它们的 优缺点。 第4 章研究了适合于a t s c8 - v s b 系统的均衡器的结构和算法。包括接收机 对不同类型均衡器的选择，抽头系数更新算法。文中设计的接收机主要采用了时 域、基带、符号间隔的判决反馈均衡器( d f e ) 接着介绍了适合于a t s c 接收机 的盲均衡算法。为了加快均衡器的收敛速度，文中采用了信道估计的技术以初始 化均衡器，并对信道的相关估计、最小平方( l s ) 估计和频域信道估计进行了比 较。为了克服均衡器的超量均方误差( e m s e ) ，文中采用了稀疏抽头的算法。 第5 章研究了提高a t s c8 - v s b 系统中均衡器性能的一些措施及本文提出和 改进的方法。其中虚拟训练序列是初始化均衡器前向抽头系数的有效方法；场同 步数据循环利用技术克服了训练序列稀少的缺点，能够加快均衡器的收敛速度； 信道匹配滤波器及非因果滤波器使均衡器能够均衡0 d b 多径和具有恶劣多径的信 道畸变，而本文采用的一种简单的非因果滤波器的构造方法，具有明显的优势； 联合均衡和译码技术降低了错误传播对d f e 的影响，而本文提出的联合均衡和多 重深度t c m 译码技术能够进一步降低误差传播的影响，降低均衡器的收敛门限； 本文采用译码输出置信度控制抽头系数更新的方法降低了均衡器的发散概率。这 些技术的综合应用增强了均衡器的均衡能力。 第6 章是对本论文的总结。指出了本文研究的局限和有待进一步研究的方向。 第二章a t s c8 - v s b 系统和无线信道特性 7 第二章a t s c8 - v s b 系统和无线信道特性 本章主要介绍a t s c 地面广播系统和无线信道的空间传播特性，最后根据均 匀问隔t d l 信道模型和a t s c 仿真中采用的b r a z i l 类信道参数，给出了它们的信 道脉冲响应。 2 1a t s c 标准简介 2 1 1a t s c8 - v s b 帧格式 a t s c 的帧格式酬6 1 如图2 1 所示。每帧包含2 个数据场。每场又包括3 1 3 段， 每段由8 3 2 个符号组成。每场的第一个数据段是场同步数据( f i e l ds y n e ) ，其中包 括用于接收机均衡器的训练序列。剩余的3 1 2 数据段中，每个数据段时期携带了 相当于传送包1 8 8 字节的信息和附加的前向纠错编码数据。前4 个符号传送二进 制同步信号，是段同步数据( s e g m e n t s y n e ) 。段同步数据的4 - r 符号相当于原m p e g 传送数据包中的第一个同步字节。每场的持续时间为2 4 2 m s ，每段的持续时间为 7 7 3 u s ，因此，a t s c 基带数据速率为1 0 7 6 m s y m b o l s s e c 。 叫4j + 一8 2 8s y m b o l s 叫 卜一1 ；s 7 e 7 9 m 3 e u n s t 叫 图2 i a t s cd t v8 v s b 数据帧结构 a t s c 发射信号在6 m h z 带宽内的频谱安排如图2 2 所示。 霉葚二；玲 。等笮 竺墼 i 卜_ 。 卜型竺_ 一 酗2 2 通道频谱 m 吣 ti撇i上，j撇l上 tm了m t 8 a t s c8 - v s b 系统中自适应均衡技术研究 在两侧安排了形状为平方根升余弦响应的过渡段各3 1 0 k h z ，3 d b 带宽为 6 一o 6 2 = 5 3 8 ( m h z l ，可以支持的符号率为： 墨= 2 5 3 8 = 1 0 7 6 = ( 4 5 2 8 6 ) 6 8 4 ( m h z ) 。 山此得到与传送输出码流比特率的关系是： c z 2 ( 1 8 8 2 0 8 ) x ( 3 1 2 3 1 3 坶= 1 9 3 9 ( g b p s ) 。 2 1 2 a 1 s c8 - v s b 发射机 a t s c 数字电视地面广播系统采用8 - v s b 调制模式，是一种单载波方案，其 发射机的功能框图如图2 3 所示。 复 接 v h 洲f l f 倍峙 幽2 3a t s c8 - v s b 系统发射机框图 1 数据扰码 用随机化器对不包括场同步数据、段同步数据、r s 校验字节的其他数据进行 随机化处理，即把数据与一个特定的伪随机序列进行异或操作。加扰后的数据呈 现伪随机特性，在频谱上呈现均匀分布，适合于信道传输和接收端的数据处理。 2 r s 编码 信道编码采用级联的方法。外码采用r s ( 2 0 7 ，1 8 7 ) 编码，通过引入2 0 个 字节的冗余信息，增大了码间的距离，能够纠正l o 个字节的错误。r s 码的采用 使系统具有一定的抗随机噪声的能力。 3 交织 因突发噪声引起的突发连续误码将引起t c m 译码严重的误码扩散。交织重新 安排了数据之问的相对位置，数掘间的约束长度加长，通过解交织能使因突发噪 声引起的突发错误分散丌来，防止了t c m 译码的误码扩散。a t s c 采用卷积交织， 交织的深度约为1 6 场。 4 t c m 编码 t c m 编码由卷积码和8 - v s b 调制结合而成，编码和映射结构如图2 4 所示。 t c m 编码采用2 3 码率的格状编码，每个符号( 2b i t s ) 的高位比特进行预编码( 差 分编码) 以消除1 8 0 度的相位模糊，低位比特进行i 2 码率的卷积编码，t c m 编 们输出的3b i t s 数掘再映射到8 - v s b 调制的8 个电平上。 第二章a t s c8 - v s b 系统和无线信道特性9 干扰滤波预处理器格形编码器8 电平符号匹配器 1 、 y 2 z 2 映射 7 丫门 r 龟z l 岛 r 叫里h 0 0 07 0 0 l- 5 0 1 0 3 y i z i0 l l一l r 叵出蛔l r l + l 岛1 0 1 + 3 1 1 0+ 5 i l i + 7 ( d f f i l 2 符号时延) 图2 48 - v s b 预处理、格形编码和符号映射 s 复接 复接是在数据符号流中插入段同步数据和场同步数据，得到最终的数据帧结 构。经过格形编码的1 2 路数据经过复用器后变为l 路数据，同时插入段同步数据 和场同步数据。数据段的结构如图2 5 所示。 段同步 数据+ 纠错码 段同步 数据 f | 数据 | | | | 。| 、| | | j | | _ j 4 4 符号| |4 4 符号 ( 嚣：1 2 5 ) ls 3 2 个符号一 ( 导频= 1 k 一 个符号制 图2 58 - v s b 的数据段结构 段同步是由2 电平的4 个符号( 5 ，5 ，一5 ，5 ) 组成，作为每段的开头，并 在接收机中被用来实现符号同步和段同步。 场同步数据的结构如图2 6 所示，场同步数据也是2 电平的( 5 ，5 ) 序列， 其中的伪随机序列在接收机中作为均衡器和相位跟踪的训练序列。场同步数据开 始的4 个符号是段同步数据。随后是9 个移位寄存器5 1 1 比特最大长度伪随机序 列p n 5 1 1 。接着是三段具有相同结构的p n 6 3 序列。为了区分每帧中的两场数据， 将第二个p n 6 3 序列的极性按奇偶场的不同取反。接着的2 4 个符号是标志a t s c 系 0 a t s c8 - v s b 系统中自适应均衡技术研究 统8 - v s b 模式的信号。之后1 0 4 个符号是保留字段。最后的1 2 个符号是前一段数 掘的最后1 2 个符号。 预编码 十7 + 5 + 3 + l l - 3 - s - 7 千 导频插入前 的也平 ( 导频；1 2 5 ) 藉与i 剥鼎l 剥籀l 蒯融 图2 6 场同步数据结构 6 导频插入 为了使接收机能够可靠地提取载波，需要在发端的频谱中插入一个小的导频 信号。这使发射功率增加了0 3 d b ，但这使接收机的载波恢复的复杂度大大降低。 7 v s b 调制 实现v s b 调制的方法有许多中，其中比较理想的一种方法是：首先用数字技 术对基带数字信号进行滤波，得到精确的同相和正交信号，该滤波器具有平方根 升余弦特性，并且提供了对d a 变换的补偿：接着两路正交信号经d a 变换转变 到模拟形式，最后调制到中频。在中频之后在采用s a w 滤波器进行邻带抑制。 8 射频上变换 采用与普通n t s c 相同的二级调制方式。第一步对所有的频道采用同一中频 频率，第二级再调制到各自对应的射频频道上。 2 1 3a t s c8 - v s b 接收机 图2 7 是a t s c8 - v s b 接收机的功能框图。 焉而n t c m 解 码 图2 7a t s c8 - v s b 系统接收机框图 菖h 弘 弓4 符 第二章a t s c8 - v s b 系统和无线信道特性 1 1 1 调谐器 在调谐器中要进行两次混频。第一本振在0 9 7 6 g h z 1 7 2 g h z 之间可变，第 二本振固定在8 7 6 m h z 。还要进行滤波、放大和自动增益控制( a g c ) ，最后经工 作在4 4 m h z 的固定增益放大器输出。 2 抗n t s c 滤波器 由于n t s c 模拟电视信号的干扰，数字电视接收机使用了梳状滤波器。它是 只有一个抽头的线性反馈滤波器，其频谱具有周期的频谱零点。这样使得n t s c 模拟电视信号的图像载波、色度副载波和声音载波分别落在梳状滤波器的几个频 谱零点处。因此，经过梳状滤波器后，n t s c 信号得到抑制，但数字电视信号也被 改变。由于梳状滤波器的部分响应特性引入的特殊的i s i ，使输出由原来的8 电平 变为1 5 电平，但这种i s i 并没有使眼图闭合，而是增加了“眼”的个数。因此， 接收机中的均衡器和译码器必须根据梳状滤波器是否起作用而工作于两种模式。 考虑到模拟电视信号的存在期限和论文时间有限，本文只研究没有加入梳状滤波 器时的相关技术。 3 均衡 均衡器对信道的失真进行补偿。能够根据接收的不同信号工作于不同的模式。 是本文主要研究的内容。 4 相位跟踪 相位跟踪环路是一个附加的判决反馈环路。它可以将中频p l l 未完全消除的 相位噪声进一步去除。利用i 路信号经过h i l b e r t 变换来近似恢复q 路信号，i ，q 两路信号再送入一个解旋电路( 复数乘法器) 以去除相位噪声 5 t c m 译码 为使网格译码器能够抗短突发干扰( 如脉冲噪声或n t s c 同频道干扰) ，发射 机中采用了1 2 符号的段内交织。与发射机相对应，接收机的t c m 解码必须采用 1 2 个并行的解码器，每个解码器间隔1 2 个符号取一个符号进行译码。 6 解交织 对有效的数据进行解交织。场同步后的第一个有效数据与解交织的第一个支 路同步。卷积交织和解交织的延时有1 0 6 0 8 字节周期。 7 r s 解码 在卷积解交织后的字节流中，从场同步开始每2 0 7 字节是一个r s ( 2 0 7 ，1 8 7 ) 编 码的分组。r s ( 2 0 7 ，1 8 7 ) 可以纠正分组中1 0 字节的错误。 8 解扰器 与发端的加扰处理过程相对应，经过译码恢复的信息数据还要经过解扰才能 够恢复原始的信息。虽然解扰是加扰的逆过程，但二者有着相同的处理过程。 2a t s c8 - v s b 系统中自适应均衡技术研究 2 2 无线衰落信道特性 电磁波传播的机理从总体上可以归结为直射( 自由空问传播) 、反射、折射 和衍射四种基本传播方式。大多数发射台和接收机之间没有直线视距路径，接收 到的信号往往是经过不同多径的具有不同延时、不同幅度和不同相位的信号的叠 加。这种叠加有时是有利的，有时是有害的，而这样的信道就是多径信道。 多径传播引起接收信号的幅度、相位和到达时间的随机变化，接收机相对运 动产生的多普勒频移使得信号在时间方向上产生附加频率偏移，从而导致接收信 号幅度的剧烈变化以及接收信号在不同维的扩展( 时间、频率、空间) ，严重影响 信号的传输质量。 移动信道环境中任意时刻t 接收到的瞬时衰落复信号r c t ) 可以写成： ，( f ) = a ( f ) 妒【 ( 2 1 ) 其中盯代表接收信号的包络，矿( r ) 代表相位，因此接收信号可以认为在接收 电平和相位两个方面受到影响，分别由包络口( f ) 和相位妒( f ) 来刻画，下面我们分别 进行介绍。 2 2 1 包络特性 接收信号的电平由信号包络口( f ) 来刻画1 3 1 ，其中c t ( t ) 可以分解为两个乘性分量 口，( f ) ，( r ) ，其中哎( ，) 代表慢衰落，q ( f ) 代表快衰落。 o r ( t ) = 吼( f ) o t r ( t )( 2 2 ) 1 慢衰落 慢衰落哎( ，) 表示接收信号的长期变化，表征的是快衰落信号的局部中值随时 f 日j 的变化情况。大量测试数据表明，信号局部中值变化较为缓慢，它的平均接收 功率服从对数正态分布，可用下面的概率密度函数来描述： 艄_ 去哪卜笋刈，p ( 力： 丽敬p 卜l 二互；：手l 】x o( 2 3 ) 【0 , x s o 式中，x 为一个随机变量，表示信号电平的慢扰动，t 和盯以d b 表示，分别 为x 的均值和标准偏差。 2 快衰落 快衰落嘭( f ) 对应于接收信号在空间的快速扰动，它主要由正在运动中的移动 用户或附近的障碍物对信号的散射引起的，因此q ( r ) 实际上是大量的散射波在接 收端叠加合成后的包络。在不存在直射路径( l o s ) 的情况下，接收端的接收信号 包络服从r a y l e i g h 分柿，其相应的概率密度函数为： 第二章a t s c8 - v s b 系统和无线信道特性 肿) ； o r e x p 卜寺加( 2 - 4 ) 肿) =卜虿j ，x 2 u 【o ，x 7 眦丁。当最大的延时扩展不超过3 4 个符号间隔时，需要 的抽头数目就不需要超过2 0 个( - m 1 ，那么l m s 收敛的就比较慢。 许多学者在加快l m s 算法初始收敛特性方法上做了大量的研究工作。一种简 单的方法是，开始使用较大步长，然后步长随着抽头系数收敛到其最佳而减小。 2 r l s 算法【1 2 1 为了克服l m s 收敛速度慢、信号非平稳适应性差的缺点，可采用新的准则， 即在每个时刻对所有的已输入信号而言重新估计的平方误差最小准则( 即r l s 准 则) 。 r l s 所遵循的准则是决定i 使误差p ( f l 一) = d ( i ) 一。( o w n ( f ) 的加权平方和 第三章自适应均衡的算法和结构 2 l 占( 力= z e ( i i 一) 】2 最小，其中j ，( d = 【x ，x ( i 一1 ) ，x ( i 一+ 1 ) 】为f 时刻的输入 扣i 数据矢量，阡0 ( f ) = ( ”) ， ( 以) 】为r l 时刻的新的抽头增益向量，因而p ( 引疗) 是用 以时刻的抽头增益向量测试i 时刻的旧数据所得的误差，占( 珂) 是在所有旧数据上用新 抽头增益向量所测得累计平方误差。 令占( 盯) 的梯度为零，得 r ”。( 玎) 降，( 功= p ( 胛)( 3 - 8 ) 其中，r n n ( 疗) = 刀。“( f ) x ：( f ) 称为采样值自相关矩阵， p ( 玎) = 刀一d ( o x ( f ) 为输入向量与期望输出之间得互相关矩阵。 由式( 3 8 ) 得 。= 艘。0 一1 ) + “( 力爿；( 3 9 ) 利用矩阵的求逆引理可得其迭代表达式： 甄( m = 甄0 一1 ) + g 。 弦0 i 玎一1 )( 3 1 0 ) 其中g a , ( 玎) = 絮， ( 玎) = x ：( 行) r a 一1 ) x ( 。通常a 取值0 8 l 。 上算法为k a l m a nr l s 算法。每次迭代运算量2 5 n 2 + 4 5 n ，而l m s 为2 + 1 。 一般来说r l s 算法比l m s 算法收敛快得多，然而这并不意味着r l s 算法 p l m s 算法更实用。在实际的无线通信接收机中l m s 算法比r l s 算法的应用更广泛原因 是：r l s 算法的稳定性依赖于输入数据而l m s 算法只要适当选取步长总是稳定 的；l m s 算法对时变信道的跟踪特性比r l s 算法好；r l s 算法的复杂度正比于 2 ，而l m s 仅花比于。 3 1 2 盲均衡理论及一般算法 数字通信系统中，传统的均衡方法是使用训练序列。虽然这是一种收敛较快、 有效的方法，但必须频繁地发送训练序列，从而降低了通信系统传输的有效信息 率。为了克服使用训练序列的自适应均衡器的种种缺陷，盲均衡技术f 1 2 】【1 5 】【1 6 1 应运 而生。它能够不借助训练序列，仅利用接收序列本身的先验信息，便可对信道进 行均衡，使输出序列尽量接近发送序列，它是均衡技术发展的趋势。而将训练序 列和盲均衡相结合的半盲均衡方法，因为融合了两种均衡方法的优点也备受关注 a t s c8 - v s b 系统中自适应均衡技术研究 自1 9 7 5 年日本学者s a t o 首次提出“自恢复均衡( s e l f - r e c o v e r i n g e q u a l i z a t i o n ， 后称为盲均衡) ”的概念【1 7 1 以后，各国学者纷纷投入该项研究，经过各国学者几 十年的不懈研究，盲均衡算法渐渐形成了个体系，根据不同的应用背景，不同 的数学理论和优化方法，多种盲均衡算法相继被提出，这些算法大致可以分为以 下三类： ( 1 ) 基于b u s s g a n g 技术的盲均衡算法，重点对代价函数的凸性进行研究，它是保 证全局收敛的先决条件；同时，还考虑运算量小，收敛速度快等因素 ( 2 ) 基于高阶或循环信号统计的盲均衡算法，重点寻求运算量小的盲均衡算法， 使其走向实用化。 ( 3 ) 基于神经网络理论的盲均衡算法，对各种神经网络模型进行研究，在此基础 上，提出适用于盲均衡器的神经网络模型。 从实现复杂度的角度考虑，基于b u s s g a n g 技术的盲均衡算法是最容易实现的， 特别是对其进行取符号简化后可大大减少其资源占用量，因此被广泛地应用在 a s i c 的设计中。 记均衡器系数为c 。，接收信号序列为 ) ，均衡器输出序列为饥) ，判决序 列为侈。 ，随机梯度盲均衡器如图3 1 所示。 也霉墅卜刊竺肾 ( 卷积求和计算) r 上广呻1判决器r _ 彳l 呻 厂一l j l 。随袈蠢藿霎法， 堕生一霁薹卜- j l ( 随机梯度算法) l 计算厂 l 一i 图3 1 随机梯度法的自适应均衡器 随机梯度的盲均衡算法也与传统的d d l m s 算法一样采用了l m s 算法系数递 推式，但不同的是误差的产生( 或者说代价函数j ) 是不同的，盲均衡算法的误差 产生式为 g 。= g ( ) ，。- - y n ( 3 1 1 ) 随机梯度法在找到代价函数的最小值即算法收敛后，梯度为零，即 = - 2 e ：】= o ( 3 - 1 2 ) 珧 上式表明均衡器收敛后，输入数据与p 。误差正交，这就是正交原理，我们 可推出盲均衡算法满足证交原理时无记忆非线性函数g ( y 。) 的形式，将( 3 1 1 ) 式 代入式( 3 1 2 ) 得 第三章白适应均衡的算法和结构 e 妇仉) 一y 。扛： = o( 3 1 3 )